JP4222225B2 - Fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、水素透過性金属層を備える燃料電池およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell including a hydrogen permeable metal layer and a method for manufacturing the fuel cell.
従来から、様々な構造の燃料電池が提案されている。例えば、下記特許文献1には、プロトン伝導性を有する電解質層のアノード側に、水素透過性を有するパラジウム系金属膜を配設した燃料電池が開示されている。このような燃料電池は、例えば、金属薄膜である水素透過性金属層上に、セラミックスなどの固体電解質層を成膜し、その膜上に集電用の電極を薄く、かつ、均一に成膜することによって製造することができる。こうした電極の成膜技術には、スパッタリング法やイオンプレーティング法等が用いられている。 Conventionally, fuel cells having various structures have been proposed. For example, Patent Document 1 below discloses a fuel cell in which a palladium-based metal film having hydrogen permeability is disposed on the anode side of an electrolyte layer having proton conductivity. In such a fuel cell, for example, a solid electrolyte layer such as ceramic is formed on a hydrogen permeable metal layer which is a metal thin film, and a current collecting electrode is thinly and uniformly formed on the film. Can be manufactured. Sputtering methods, ion plating methods, and the like are used for such electrode film formation techniques.
しかしながら、こうした燃料電池の製造では、固体電解質層の成膜条件に起因して、固体電解質層において数原子レベルの幅のマイクロクラックやピンホール等の微細孔が発生する可能性がある。こうした微細孔を有する固体電解質層上に、スパッタリング法やイオンプレーティング法を用いて原子レベルの電極用材料を飛ばして電極を成膜する場合、図6に示すように、固体電解質層410の微細孔410a,410bに電極用材料420aが入り込んで付着し、電極420と水素透過性金属層400との間が短絡することがあった。その結果、燃料電池全体の電池効率が低下する場合があった。
However, in the manufacture of such a fuel cell, micropores such as microcracks or pinholes having a width of several atomic levels may be generated in the solid electrolyte layer due to film forming conditions of the solid electrolyte layer. When an electrode is formed on the solid electrolyte layer having such fine pores by using a sputtering method or an ion plating method to deposit an electrode material at an atomic level, as shown in FIG. The
本発明は、電極と水素透過性金属層との短絡に起因する燃料電池の電池効率の低下を抑制することを目的とする。 An object of this invention is to suppress the fall of the cell efficiency of the fuel cell resulting from the short circuit of an electrode and a hydrogen-permeable metal layer.
本発明の燃料電池は、上記課題を解決するため、以下の手法を採った。すなわち、水素透過性金属を含有する水素透過性金属層と、該水素透過性金属層上に積層されると共にプロトン伝導性を有する電解質層とを有する燃料電池であって、前記電解質層上に形成され、電気的に非連続な複数の区画からなる電極と、前記電極における前記電解質層との接触面と反対側の面に形成される集電体と、前記複数の区画のうち、前記水素透過性金属層との間で短絡している区画と前記集電体との間の電気的接続を遮断する遮断手段とを設けたことを要旨としている。 In order to solve the above problems, the fuel cell of the present invention employs the following method. That is, a fuel cell having a hydrogen permeable metal layer containing a hydrogen permeable metal and an electrolyte layer laminated on the hydrogen permeable metal layer and having proton conductivity, and formed on the electrolyte layer An electrode composed of a plurality of electrically discontinuous sections, a current collector formed on a surface of the electrode opposite to the contact surface with the electrolyte layer, and the hydrogen permeation among the plurality of sections. The gist is that a section short-circuited with the conductive metal layer and a blocking means for blocking the electrical connection between the current collector are provided.
本発明の燃料電池によれば、電極を複数の区画から構成し、その複数の区画のうち、水素透過性金属層との間で短絡している区画と集電体との電気的接続を遮断する。したがって、短絡区画の存在による電極への影響範囲を低減し、水素透過性金属層と電極との間の短絡に起因する燃料電池の性能の低下を抑制することができる。 According to the fuel cell of the present invention, the electrode is composed of a plurality of sections, and among the plurality of sections, the electrical connection between the section short-circuited with the hydrogen permeable metal layer and the current collector is cut off. To do. Therefore, it is possible to reduce the range of influence on the electrode due to the presence of the short-circuit section, and to suppress the deterioration of the performance of the fuel cell due to the short-circuit between the hydrogen permeable metal layer and the electrode.
上記の構成を有する燃料電池において、電極を構成する複数の区画同士を絶縁性を有する材料を用いて仕切る区画手段を備えるものとしても良い。かかる燃料電池によれば、区画手段を用いて電極を複数の小面積に仕切ることで、容易に電気的に非連続な区画を形成することができる。加えて、絶縁性を有する材料によって仕切ることで、区画間での電子の移動を妨げることができる。 The fuel cell having the above-described configuration may include partition means for partitioning a plurality of sections constituting the electrode using an insulating material. According to such a fuel cell, an electrically discontinuous partition can be easily formed by partitioning the electrode into a plurality of small areas using partition means. In addition, partitioning with an insulating material can prevent movement of electrons between the compartments.
上記の構成を有する燃料電池の遮断手段は、前記短絡している区画と前記集電体との間に介装する絶縁性を有する絶縁層であるものとしても良い。かかる燃料電池によれば、絶縁層を介装することで、短絡している区画と集電体との間の電気的な接続を遮断することができる。 The shut-off means of the fuel cell having the above-described configuration may be an insulating layer having insulating properties interposed between the short-circuited section and the current collector. According to such a fuel cell, the electrical connection between the short-circuited section and the current collector can be interrupted by interposing the insulating layer.
上記の遮断手段として介装する絶縁層は、短絡している区画と集電体との間であれば、電極側、集電体側のどちらに設けるものとしても良いが、特に、短絡している区画上であって、電極側に形成された層とすることができる。かかる燃料電池によれば、電極の区画を製造する一連の製造工程中に絶縁層を生成することができる。 The insulating layer interposed as the blocking means may be provided on either the electrode side or the current collector side as long as it is between the short-circuited section and the current collector, but is particularly short-circuited. It can be a layer formed on the partition and on the electrode side. According to such a fuel cell, an insulating layer can be generated during a series of manufacturing steps for manufacturing an electrode compartment.
本発明の燃料電池の製造方法は、水素透過性金属を含有する水素透過性金属層と、該水素透過性金属層上に積層されると共にプロトン伝導性を有する電解質層とを有する燃料電池の製造方法であって、(a)前記電解質層上に、電気的に非連続な複数の区画からなる電極を形成する工程と、(b)前記電極の複数の区画のうち、前記水素透過性金属層との間で短絡している区画を特定する工程と、(c)前記特定された区画と該区画に当接する集電体との間の電気的接続を遮断する遮断層を形成する工程とを備えたことを要旨としている。 A method for producing a fuel cell according to the present invention is a method for producing a fuel cell having a hydrogen permeable metal layer containing a hydrogen permeable metal and an electrolyte layer laminated on the hydrogen permeable metal layer and having proton conductivity. A method comprising: (a) forming an electrode composed of a plurality of electrically discontinuous sections on the electrolyte layer; and (b) the hydrogen permeable metal layer among the plurality of sections of the electrode. Identifying a section that is short-circuited with each other; and (c) forming a blocking layer that blocks electrical connection between the identified section and a current collector that contacts the section. The gist is to have prepared.
本発明の燃料電池の製造方法によれば、電極を複数の区画により形成し、短絡している区画を特定し、その区画と集電体との電気的接続を遮断する。したがって、電解質層にマイクロクラックやピンホール等の微細孔が存在し、電極の製造過程においてその微細孔に電極材料が入り込み短絡が発生しても、事後的に短絡している区画と集電体との電気的接続を遮断することができる。 According to the method for manufacturing a fuel cell of the present invention, an electrode is formed by a plurality of sections, a section that is short-circuited is specified, and electrical connection between the section and the current collector is interrupted. Therefore, even if micropores such as microcracks and pinholes exist in the electrolyte layer, and the electrode material enters the micropores during the electrode manufacturing process and a short circuit occurs, the sections and current collectors that are short-circuited later Can be disconnected from the electrical connection.
上記の構成を有する燃料電池の製造方法において、工程(a)は、(a−1)前記水素透過性金属層上の全面に絶縁性を有する材料からなる絶縁層を形成する工程と、(a−2)前記形成した絶縁層のうち、所定の部分を除去して複数の領域を形成する工程と、(a−3)前記形成された領域毎に、前記電解質層を形成する工程と、(a−4)前記形成された電解質層上に前記電極を形成し、複数の区画を形成する工程とからなるものとしても良い。 In the method of manufacturing a fuel cell having the above-described configuration, the step (a) includes: (a-1) a step of forming an insulating layer made of an insulating material on the entire surface of the hydrogen permeable metal layer; -2) removing a predetermined portion of the formed insulating layer to form a plurality of regions; (a-3) forming the electrolyte layer for each of the formed regions; a-4) The electrode may be formed on the formed electrolyte layer, and a plurality of sections may be formed.
かかる燃料電池の製造方法によれば、水素透過性金属層上に形成した絶縁層の一部を除去し、残余の絶縁層によって、水素透過性金属層上の面を複数の領域に仕切る。残余の絶縁層で仕切られた領域に電解質層、電極を形成するため、電極を電気的に非連続な複数の区画に分割して生成することができる。 According to this method of manufacturing a fuel cell, a part of the insulating layer formed on the hydrogen permeable metal layer is removed, and the surface on the hydrogen permeable metal layer is partitioned into a plurality of regions by the remaining insulating layer. Since the electrolyte layer and the electrode are formed in the region partitioned by the remaining insulating layer, the electrode can be divided into a plurality of electrically discontinuous sections.
上記の構成を有する燃料電池の製造方法において、工程(a)は、(a1−1)前記水素透過性金属層上の全面に前記電解質層を形成する工程と、(a1−2)前記形成された電解質層上の全面に前記電極を形成する工程と、(a1−3)前記電解質層および前記電極のうち、少なくとも該電極の所定の部分を除去し、複数の区画を形成する工程とからなるものとしても良い。 In the method of manufacturing a fuel cell having the above structure, the step (a) includes (a1-1) forming the electrolyte layer on the entire surface of the hydrogen permeable metal layer, and (a1-2) forming the step. Forming the electrode over the entire surface of the electrolyte layer, and (a1-3) removing at least a predetermined portion of the electrolyte layer and the electrode to form a plurality of compartments. It is good as a thing.
かかる燃料電池の製造方法によれば、水素透過性金属層上に電解質層、電極を形成した後に、少なくとも電極の一部を除去して複数の区画を形成する。電極を構成する各区画は、近隣の区画同士と接触することがなく、電気的に非連続な複数の区画を生成することができる。 According to this method of manufacturing a fuel cell, after forming an electrolyte layer and an electrode on the hydrogen permeable metal layer, at least a part of the electrode is removed to form a plurality of compartments. Each section constituting the electrode does not come into contact with neighboring sections, and a plurality of sections that are electrically discontinuous can be generated.
上記の構成を有する燃料電池の製造方法において、前記工程(a1−3)で除去する所定の部分に、絶縁性を有する材料を挿入して前記区画を仕切る工程を更に加えてなるものとしても良い。 In the method for manufacturing a fuel cell having the above-described configuration, a step of inserting an insulating material into the predetermined portion to be removed in the step (a1-3) and partitioning the compartment may be further added. .
かかる燃料電池の製造方法によれば、絶縁性の材料を挿入して各区画同士を電気的に非連続とすることで、信頼性の高いものとすることができる。また、絶縁性を有する材料の挿入により、所定の部分の除去により形成された空間を埋めることができるため、機械的な強度の低下を抑制することができる。 According to such a method of manufacturing a fuel cell, it is possible to achieve high reliability by inserting an insulating material to electrically discontinue the sections. Moreover, since the space formed by removing the predetermined portion can be filled by inserting an insulating material, it is possible to suppress a decrease in mechanical strength.
上記の構成を有する燃料電池の製造方法において、工程(a)は、(a2−1)前記水素透過性金属層上の全面に前記電解質層を形成する工程と、(a2−2)前記全面に形成した前記電解質層のうち、所定の部分を除去し、該電解質層を複数に分割する工程と、(a2−3)前記除去する所定の部分に、絶縁性を有する材料を挿入して前記区画を仕切る工程と、(a2−4)前記分割された電解質層上に前記電極を形成し、複数の区画を形成する工程とからなるものとしても良い。 In the method of manufacturing a fuel cell having the above-described configuration, the step (a) includes (a2-1) a step of forming the electrolyte layer on the entire surface of the hydrogen permeable metal layer, and (a2-2) on the entire surface. A step of removing a predetermined portion of the formed electrolyte layer and dividing the electrolyte layer into a plurality of portions; and (a2-3) inserting an insulating material into the predetermined portion to be removed to form the partition And (a2-4) forming the electrodes on the divided electrolyte layer and forming a plurality of compartments.
上記の構成を有する燃料電池の製造方法において、工程(c)は、(c−1)前記特定された区画上に前記電気的接続を遮断する遮断層となりうる材料を生成する工程と、(c−2)前記材料に所定の処理を施して該材料を絶縁性の材料とし、前記遮断層を形成する工程とからなるものとしても良い。 In the method of manufacturing a fuel cell having the above-described configuration, the step (c) includes (c-1) a step of generating a material that can serve as a blocking layer for blocking the electrical connection on the specified section; -2) The material may be subjected to a predetermined treatment to make the material an insulating material and to form the blocking layer.
かかる燃料電池の製造方法によれば、遮断層を構成する材料に、所定の処理を施すことで絶縁性を有する材料を使用し、所定の処理を経て、遮断層を形成する。したがって、遮断層に使用する材料の選択肢に幅を持たせることができる。 According to such a method of manufacturing a fuel cell, a material having an insulating property is applied to a material constituting the barrier layer by performing a predetermined process, and the barrier layer is formed through a predetermined process. Therefore, it is possible to give a wide range of choices of materials used for the barrier layer.
上記の構成を有する燃料電池の製造方法において、工程(c)は、前記短絡している区画上に、前記遮断層として電解めっき法を用いためっきの層を生成する工程であり、前記短絡している区画上に選択的に前記めっきの層を生成することで、前記工程(b)を実施することなく前記電気的接続を遮断するものとしても良い。 In the method of manufacturing a fuel cell having the above-described configuration, step (c) is a step of forming a plating layer using an electrolytic plating method as the blocking layer on the short-circuited section. It is good also as what interrupts | blocks the said electrical connection, without implementing the said process (b) by producing | generating the said layer of plating selectively on the division which has.
かかる燃料電池の製造方法によれば、通電によりめっきの層を生成する電解めっき法の用いることで、各区画と前記水素透過性金属層との間で短絡している区画上に選択的にめっきの層を生成することができる。したがって、短絡している区画を特定する検査工程を不要にできる。さらに、電解めっき法を用いることで、短絡の発生しない区画にはめっきの層は生成されないため、意図した場所以外への成膜を回避するマスキング等の処理を不要とすることができる。 According to such a method of manufacturing a fuel cell, by using an electroplating method that generates a plating layer by energization, plating is selectively performed on a section short-circuited between each section and the hydrogen permeable metal layer. Layers can be produced. Therefore, it is possible to eliminate an inspection process for identifying the short-circuited section. Further, by using the electrolytic plating method, a plating layer is not generated in a section where a short circuit does not occur, so that a process such as masking for avoiding film formation outside the intended place can be made unnecessary.
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて次の順序で説明する。
A.燃料電池の構成:
B.仕切部材の構造:
C.MEAの製造方法:
C−1.製造方法の変形例:
D.第2実施例:
E.変形例:
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Fuel cell configuration:
B. Partition member structure:
C. Manufacturing method of MEA:
C-1. Variation of manufacturing method:
D. Second embodiment:
E. Variations:
A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池を構成する単セルの概略構成を示す断面模式図である。第1実施例の燃料電池は、燃料ガス中から水素を分離する水素分離膜を備えた水素分離膜型燃料電池であり、図1に示す単セル10を複数積層し、両端から締結力を与えることで複数の単セル10を直列に接続したスタック構造をしている。
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a single cell constituting a fuel cell as a first embodiment of the present invention. The fuel cell of the first embodiment is a hydrogen separation membrane fuel cell having a hydrogen separation membrane that separates hydrogen from fuel gas, and a plurality of
図1に示すように、この単セル10は、主に、燃料電池での電気化学反応に使用する燃料ガスや酸化ガスの流路となるガスセパレータ60,70、電解質膜と電極とを一体で備えたMEA100(Membrane-Electrode Assembly)等からなり、ガスセパレータ60,70でMEA100を両側から挟みこんで形成されている。なお、図示は省略するが、スタック構造の内部温度を調整するために、各単セル間に、または所定数の単セルを積層する毎に、燃料電池を冷却する冷媒の通過する冷媒流路を設けるものとしても良い。
As shown in FIG. 1, this
ガスセパレータ60,70は、カーボンや金属などの導電性材料で形成され、燃料ガス,酸化ガスを透過させない緻密質体で構成されている。ガスセパレータ60の表面には燃料ガスを単セル10内部に導く燃料ガス流路65を形成する凹凸形状が、ガスセパレータ70の表面には酸化ガスを単セル10内部に導く酸化ガス流路75を形成する凹凸形状が、それぞれ形成されている。
The
こうしたガスセパレータ60,70の流路のうち、燃料ガス流路65には燃料ガスとしての炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスが、酸化ガス流路75には酸化ガスとしての空気が、それぞれ供給される。ガスセパレータ60,70は、供給された水素リッチガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応により発生する電気を集電する機能を有している。
Of the flow paths of the
MEA100は、水素分離膜としての水素透過性金属層20,電解質膜としての電解質層30,仕切部材50,カソード電極40等から構成されている。水素透過性金属層20は、水素透過性を有する金属からなる層であり、例えば、パラジウム(Pd),Pd合金等により形成することができる。水素透過性金属層20は、燃料ガス流路65を介して供給される水素リッチガスのうち、水素リッチガスに含有する水素のみを選択的に透過させる。本実施例では、この水素透過性金属層20は、水素分離膜としての機能に加え、水素のイオン(プロトン)化を活性する触媒機能およびアノード電極としての機能を有する。
The
電解質層30は、プロトン伝導性を有する固体電解質からなり、電気的な絶縁性を有する層である。電解質層30には、例えば、固体酸化物であるBaCeO3、SrCeO3系のペロブスカイトやパイロクロア等を用いることができる。こうした電解質層30は、緻密な水素透過性金属層20上に薄膜として成膜される。かかる薄膜化により、固体酸化物の膜抵抗を低減している。
The
カソード電極40は、電解質層30上に成膜された金属からなる層であり、例えば、Pd等により形成することができる。このカソード電極40は、電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属により形成することができる。なお、電気化学反応を促進するため、白金(Pt)等の触媒層を設けるものとしても良い。
The
仕切部材50は、絶縁性を有する材料により構成され、水素透過性金属層20上に成膜される電解質層30,電解質層30上のカソード電極40を複数の区画に分割する部材である。つまり、カソード電極40は、複数の電気的に非連続な区画の集合体として構成され、例えば、欠損等を有する不所望な区画には所定の処理を施し、それ以外の区画を有効に使用することができる。なお、こうした部品からなるMEA100の製造方法に関しては、後述する。
The
B.仕切部材の構造:
図2は、第1実施例のMEA100を構成する仕切部材50の形状を示す模式図である。図2(a)はMEA100をカソード電極40側から見た平面図を示し、図2(b)は図1と同様にMEA100の一断面模式図を示している。なお、図2(a)に示した1〜6の数字は、区画を区別するための番号を示している。
B. Partition member structure:
FIG. 2 is a schematic diagram showing the shape of the
図示するように、仕切部材50は、電解質層30とカソード電極40とを小面積のます目状に6等分する枠形状をしており、水素透過性金属層20上に設けられている。本実施例では、6個の区画(区画1〜6)を設けるよう仕切部材50の形状を決定しているが、所望する区画の数に合わせて仕切部材50の形状を決定するものとすれば良い。
As shown in the drawing, the
6個に分割された区画同士は、絶縁性材料である仕切部材50により電気的に非連続なものとなる。こうした区画(1〜6)のうち、水素透過性金属層20上に電解質層30を成膜する過程で、例えば区画6の電解質層30にピンホールやクラックなどの微細孔30aが発生したとする。この区画6の微細孔30aを有する電解質層30上にカソード電極40を成膜すると、カソード電極材料40aが微細孔30aに入り込んで付着し、区画6は水素透過性金属層20とカソード電極40との間で短絡が生じる短絡区画となる。本実施例では、この短絡区画のカソード電極40表面にのみ絶縁物質からなる絶縁層55を形成する。こうすることで、区画6に短絡発生箇所があっても、区画1〜区画5を使用することができる。
The sections divided into six are electrically discontinuous by the
第1実施例のMEA100構造によれば、従来、水素透過性金属層と電極との間で1箇所でも短絡が発生している場合にMEA100の構成部品として不適当であるとして扱われてきた部品を、仕切部材50を用いて短絡している区画のみに絶縁層55を形成することで、使用することができる。具体的には、図2に示したように、区画6に絶縁層55を施すことで全体の5/6が使用できる。つまり、短絡を防止し、燃料電池の性能低下を抑制することができると共に、製品の歩留まりを高めることができる。
According to the
C.MEAの製造方法:
以下に、燃料電池を構成する単セル10の製造方法として、水素透過性金属層20,電解質層30,カソード電極40,仕切部材50からなるMEA100の製造工程を説明する。図3は、MEA100の製造工程を示す工程図である。
C. Manufacturing method of MEA:
Below, the manufacturing process of MEA100 which consists of the hydrogen
MEA100の製造においては、MEA100の構造基材となる水素透過性金属層20を準備する(ステップS300)。水素透過性金属層20を形成する基材としては、Pd合金を使用している。
In the manufacture of the
続いて、水素透過性金属層20の表面に、絶縁材料からなる絶縁材料層を形成する(ステップS310)。絶縁材料層には、二酸化ケイ素(SiO2)を使用している。この絶縁材料層の成膜には、物理蒸着法(PVD)であるスパッタリング法を用いているが、イオンプレーティング法等を用いることとしても良い。 Subsequently, an insulating material layer made of an insulating material is formed on the surface of the hydrogen permeable metal layer 20 (step S310). Silicon dioxide (SiO 2 ) is used for the insulating material layer. For the formation of the insulating material layer, a sputtering method which is a physical vapor deposition method (PVD) is used, but an ion plating method or the like may be used.
このステップS310で形成された絶縁材料層のうち、不要な部分をエッチングにより除去する(ステップS320)。この工程を経ることで、絶縁材料層は図2に示した形状の仕切部材50を構成する。つまり、エッチングで除去する絶縁材料層の不要部分は、図2に示した各区画(1〜6)の位置に該当する部分であり、水素透過性金属層20が露出する深さまで絶縁材料層が除去される。なお、絶縁材料層の除去は、エッチングに限らず、アルゴンイオンを用いたスパッタリングや、化学的,物理的な種々の除去方法を用いることができる。
Of the insulating material layer formed in step S310, unnecessary portions are removed by etching (step S320). Through this process, the insulating material layer forms the
こうして絶縁材料層が除去され露出した水素透過性金属層20上に電解質層30を成膜する(ステップS330)。この電解質層30には、固体酸化物であるBaCeO3系ペロブスカイトを使用しており、成膜には、上述の物理蒸着法(PVD)を用いている。こうした成膜方法により、水素透過性金属層20上に前述の固体酸化物を生成させて(結晶化して)膜を形成し、電解質層30を形成する。この電解質層30の膜厚は、既成の仕切部材50の厚みの半分程度である。なお、成膜方法としては、化学蒸着法(CVD)などを用いることとしても良い。
The
続いて、ステップS330で形成された電解質層30上に、カソード電極40を成膜する(ステップS340)。カソード電極40には、Pdを使用している。この成膜方法も、上述の成膜と同様、物理蒸着法(PVD)を用いている。これにより、カソード電極40を構成する電極部材(Pd)を原子レベルで放出し、電解質層30上に薄く均一な膜を生成する。なお、この工程で形成されたカソード電極40は、ステップS320により生成された仕切部材50により、6個の区画に分割されている。
Subsequently, the
こうして形成されたカソード電極40の区画について、所定の区画の電極表面上に絶縁物質からなる絶縁層55を形成し(ステップS350)、MEA100を完成させる。この工程での所定の区画とは、水素透過性金属層20とカソード電極40の区画との間で短絡している区画(短絡区画)である。短絡区画に絶縁層55を形成する方法としては、電解めっき法を用いている。
For the section of the
電解めっき法は、通電によりめっきが施されるため、導電性を有しない(つまり、欠陥のない)電解質層30上の区画には絶縁層55は形成されず、通電する短絡区画のみに選択的に絶縁層55が形成される。つまり、短絡の生じる区画を特定する検査工程を必要とすることなく、めっきを施すことができる。本実施例では、電解めっき法により生成する絶縁層55の絶縁物質として、二酸化ケイ素(SiO2)を使用している。なお、電解めっき法に用いる材料は、絶縁物質に限らず、例えば、Cr,Alなどの金属からなる金属層をカソード電極30の短絡区画に形成した後、酸化処理および窒化処理を施すことで金属層を絶縁層55に変えるものとしても良い。
In the electroplating method, since the plating is performed by energization, the insulating
この一連の工程を経て完成したMEA100を挟み込むように、ガスセパレータ60,70を配置して単セル10を形成し、この単セル10を所定数積層することで、燃料電池が完成する。
The
以上に示した工程を備えた燃料電池の製造方法によれば、水素透過性金属層20とカソード電極40との間で短絡している区画のみを絶縁層55で覆い、短絡を防止した単セル10を用いた燃料電池を製造することができる。したがって、温度等の成膜条件により欠損を有する電解質層30であっても、燃料電池の構成部品として使用することができる。その結果、電解質層30の欠損を低減するための成膜条件を管理する負担を軽減することができる。さらに、短絡区画に施す絶縁層55の形成に電解めっき法を用いているため、短絡の生じる区画を特定する検査工程を必要としない。また、電解めっき法によれば、絶縁層55の製造工程において、短絡しない区画に絶縁物質が付着しないようにマスキング等の処理を施す必要もない。
According to the method of manufacturing a fuel cell including the steps described above, a single cell in which only a section short-circuited between the hydrogen-
C−1.製造方法の変形例:
第1実施例の製造方法では、まず水素透過性金属層20上に仕切部材50を形成し、電解質層30,カソード電極40の順に成膜することでMEA100を製造するものとしたが、例えば、図4に示す製造方法によるものとしても良い。
C-1. Variation of manufacturing method:
In the manufacturing method of the first embodiment, the
図4は、第1実施例の製造方法の変形例としてのMEAの製造工程を示す工程図である。なお、各層等に使用する材料は、第1実施例の製造方法と同様であるため、説明を省略する。 FIG. 4 is a process diagram showing a MEA manufacturing process as a modification of the manufacturing method of the first embodiment. In addition, since the material used for each layer etc. is the same as that of the manufacturing method of 1st Example, description is abbreviate | omitted.
図示するように、MEAの構造の基材となる水素透過性金属層20を準備する(ステップS400)。この工程は、図3に示した工程図のステップS300と同様である。続いて、水素透過性金属層20上に電解質層30を成膜し(ステップS410)、さらに、カソード電極40を成膜する(ステップS420)。電解質層30、カソード電極40の成膜には、前述の物理蒸着法を用いている。
As shown in the drawing, a hydrogen
こうして形成されたカソード電極40、電解質層30に対して、エッチングを用いた不要箇所の除去を施し、6個の区画を生成する(ステップS430)。つまり、電解質層30とカソード電極40とからなる6個の区画は水素透過性金属層20上に生成され、各区画は、近傍の区画とは非連続の状態とされている。
The
続いて、ステップS430の不要箇所の除去により作られた空間に、絶縁材料からなる仕切部材50を形成する(ステップS440)。
Subsequently, a
この仕切部材50により隔てられて各区画について、水素透過性金属層20との間で短絡が生じるか否かを検査する(ステップS450)。この検査工程では、区画1〜区画6の各区画について、水素透過性金属層20との間の短絡をテスター等を用いて調べている。
Whether or not a short circuit occurs between each partition separated by the
こうして短絡区画の有無を検査し、短絡区画が存在しない場合は、そのままMEAは完成する。他方、短絡区画が存在する場合は、短絡区画に絶縁層55を形成して(ステップS460)、MEAは完成する。この絶縁層55の形成には、物理蒸着法を用いている。なお、第1実施例の製造方法と同様、金属からなる金属層を特定した短絡区画に形成し、その後、酸化処理等を経て絶縁層55を形成するものとしても良い。
Thus, the presence or absence of the short circuit section is inspected, and if the short circuit section does not exist, the MEA is completed as it is. On the other hand, when the short circuit section exists, the insulating
こうした製造方法によれば、電解質層30に欠損が存在しても事後的に絶縁層55を施して対処できるため、電解質層30,カソード電極40の成膜に際し、温度等の成膜条件を詳細に管理する必要がない。
According to such a manufacturing method, even if a defect exists in the
なお、図4に示した製造方法では、仕切部材50を最後に製造しているが、例えば、水素透過性金属層20上の全面に電解質層30を形成後、仕切部材50を形成し、仕切られた区画にカソード電極40を成膜するものとしても良い。この場合、水素透過性金属層20上の全面に成膜された電解質層30に対して、エッチング等により、仕切部材50を形成するのに不要な部分を除去するものとすれば良い。また、ステップS450の検査工程、ステップS460の絶縁増55の形成に替えて、図3のステップS350に示した電解めっき法を用いるものとしても良い。
In the manufacturing method shown in FIG. 4, the
図4の製造方法では、電解質層30の一部もエッチングにより除去しているが、仕切部材50はカソード電極40を分割するものであればよく、必ずしも電解質層30までエッチングにより除去する必要はない。
In the manufacturing method of FIG. 4, a part of the
その他の製造方法として、仕切部材50を構造物として初めから形成しておき、水素透過性金属層20に積層し、電解質層30,カソード電極40を順次成膜するものとしても良い。この場合、仕切部材50を一つの構造物として取り扱うため、仕切部材50に所定の厚みが必要となるが、ガスセパレータ側で調整することで対応することができる。
As another manufacturing method, the
D.第2実施例:
図5は、第2実施例としての燃料電池の単セルを構成するMEAを示す模式図である。図5(a)はMEA200をカソード電極側から見た平面図を示し、図5(b)はMEA200の一断面模式図を示している。なお、図5(a)に示した1〜6の数字は、区画を区別するための番号を示している。
D. Second embodiment:
FIG. 5 is a schematic diagram showing an MEA constituting a single cell of a fuel cell as a second embodiment. FIG. 5A shows a plan view of the
図示するように、第2実施例のMEA200は、第1実施例のMEA100と同様、水素透過性金属層20,電解質層30,カソード電極40等により構成されている。したがって、各層の材料、機能等は、第1実施例のMEA100と同様であるため、詳細な説明は省略する。
As shown in the figure, the
第2実施例のMEA200は、水素透過性金属層20上に6個の電解質層30とカソード電極40からなる区画を設けている。第1実施例のMEA100では仕切部材50を用いてカソード電極40を複数の区画に分割したが、第2実施例のMEA200では仕切部材50を用いていない。つまり、第2実施例のMEA200では、互いに電気的に非連続な独立した6個の区画によりカソード電極40を構成している。
In the
この6個の各区画のうち、水素透過性金属層20との間で短絡している区画にのみ絶縁層55が形成される。図5に示した第2実施例のMEA200では、区画6に短絡が発生したものとしている。
Of these six sections, the insulating
こうした第2実施例のMEA200は、例えば、図4に示した工程図のステップS430に示すように、水素透過性金属層20の全面に成膜した電解質層30,カソード電極40をエッチングにより分割して独立した区画を生成するものとすれば良い。その後、短絡区画の有無を検査する工程を経て、特定した短絡区画(図5に示し区画6)にのみ絶縁層55を施すことで製造できる。
In the
以上の第2実施例のMEA200によれば、各区画は電気的に非連続であるため、1の区画に短絡が発生していても、他の区画は独立したものとなる。したがって、短絡している区画のみを絶縁層55で覆うことで短絡を防止することができる。さらに、第1実施例のMEA100の製造に比べて製造工数を低減することができる。
According to the
E.変形例:
本実施例では、各区画の大きさは略均等なものとして説明したが、各区画の大きさが不均等であっても良い。また、複数の区画が整然と配列されている必要もない。
E. Variations:
In the present embodiment, the size of each section has been described as being substantially equal, but the size of each section may be unequal. Further, it is not necessary that the plurality of sections are arranged in an orderly manner.
さらに、第1実施例の製造方法では、絶縁材料層から仕切部材50を形成したが、仕切部材50は絶縁性の材料である必要はない。例えば、導電性の材料であっても、MEA100の製造工程の最後に、仕切部材50を除去するものとすれば良い。この場合、仕切部材50を除去することで、第2実施例と同様なMEA200を形成することができる。
Furthermore, in the manufacturing method of the first embodiment, the
また、短絡している区画のカソード電極40上に、必ずしも絶縁層55を形成する必要はない。例えば、テスターを用いた検査工程で短絡している区画を特定し、その区画と隣接するガスセパレータ側に絶縁物質を形成する、あるいは、両者の間に絶縁物質を介装することとしても良い。さらには、絶縁物質を介装することなく、短絡区画とガスセパレータとを非接触な状態とするように、電極側若しくはガスセパレータ側で調整するものとしても良い。
Further, it is not always necessary to form the insulating
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。本実施例では、仕切部材によりカソード電極を6つの区画に分割したが、区画の数は2つ以上であればいくつでも良い。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and can of course be implemented in various forms without departing from the spirit of the present invention. . In this embodiment, the cathode electrode is divided into six sections by the partition member, but any number of sections may be used as long as it is two or more.
10...単セル
20...水素透過性金属層
30...電解質層
30a...クラック
40...カソード電極
40a...電極材料
50...仕切部材
55...絶縁層
60,70...ガスセパレータ
65,75...ガス流路
100,200...MEA
400...水素透過性金属層
410...電解質層
410a,410b...クラック
420...カソード電極
420a...電極材料
10 ...
400 ... hydrogen
Claims (11)
前記電解質層上に形成され、電気的に非連続な複数の区画からなる電極と、
前記電極における前記電解質層との接触面と反対側の面に形成される集電体と、
前記複数の区画のうち、前記水素透過性金属層との間で短絡している区画と前記集電体との間の電気的接続を遮断する遮断手段と
を設けた固体電解質型燃料電池。 A solid oxide fuel cell comprising a hydrogen permeable metal layer containing a hydrogen permeable metal, and an electrolyte layer laminated on the hydrogen permeable metal layer and having proton conductivity,
An electrode formed on the electrolyte layer and composed of a plurality of electrically discontinuous sections;
A current collector formed on a surface of the electrode opposite to the contact surface with the electrolyte layer;
A solid oxide fuel cell comprising: a plurality of sections, a section that is short-circuited with the hydrogen-permeable metal layer, and a blocking unit that blocks electrical connection between the current collector.
前記電極を構成する複数の区画同士を絶縁性を有する材料を用いて仕切る区画手段を設けた固体電解質型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 1,
A solid oxide fuel cell provided with partition means for partitioning a plurality of partitions constituting the electrode using an insulating material.
前記遮断手段は、前記短絡している区画と前記集電体との間に介装する絶縁性を有する絶縁層である固体電解質型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2,
The said interruption | blocking means is a solid oxide fuel cell which is an insulating layer which has the insulation between the section and the said collector which are short-circuited.
前記絶縁層は、前記短絡している区画上であって、電極側に形成された層である固体電解質型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 3,
The insulating layer is a solid oxide fuel cell which is a layer formed on the electrode side and on the short-circuited section.
(a)前記電解質層上に、電気的に非連続な複数の区画からなる電極を形成する工程と、
(b)前記電極の複数の区画のうち、前記水素透過性金属層との間で短絡している区画を特定する工程と、
(c)前記特定された区画と該区画に当接する集電体との間の電気的接続を遮断する遮断層を形成する工程と
を備えた固体電解質型燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell comprising a hydrogen permeable metal layer containing a hydrogen permeable metal, and an electrolyte layer laminated on the hydrogen permeable metal layer and having proton conductivity,
(A) forming an electrode comprising a plurality of electrically discontinuous sections on the electrolyte layer;
(B) a step of specifying a section short-circuited with the hydrogen permeable metal layer among the plurality of sections of the electrode;
(C) A method of manufacturing a solid oxide fuel cell, comprising: a step of forming a blocking layer that blocks electrical connection between the identified section and a current collector in contact with the section.
前記工程(a)は、
(a−1)前記水素透過性金属層上の全面に絶縁性を有する材料からなる絶縁層を形成する工程と、
(a−2)前記形成された絶縁層のうち、所定の部分を除去して複数の領域を形成する工程と、
(a−3)前記形成された領域毎に、前記電解質層を形成する工程と、
(a−4)前記形成された電解質層上に前記電極を形成し、複数の区画を形成する工程と
からなる固体電解質型燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 5, comprising :
The step (a)
(A-1) forming an insulating layer made of an insulating material on the entire surface of the hydrogen permeable metal layer;
(A-2) a step of removing a predetermined portion of the formed insulating layer to form a plurality of regions;
(A-3) forming the electrolyte layer for each of the formed regions;
(A-4) A method of manufacturing a solid oxide fuel cell comprising: forming the electrode on the formed electrolyte layer and forming a plurality of compartments.
前記工程(a)は、
(a1−1)前記水素透過性金属層上の全面に前記電解質層を形成する工程と、
(a1−2)前記形成された電解質層上の全面に前記電極を形成する工程と、
(a1−3)前記電解質層および前記電極のうち、少なくとも該電極の所定の部分を除去し、複数の区画を形成する工程と
からなる固体電解質型燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 5, comprising :
The step (a)
(A1-1) forming the electrolyte layer on the entire surface of the hydrogen permeable metal layer;
(A1-2) forming the electrode on the entire surface of the formed electrolyte layer;
(A1-3) A method for producing a solid oxide fuel cell comprising: a step of removing at least a predetermined portion of the electrolyte layer and the electrode to form a plurality of compartments.
前記工程(a1−3)で除去する所定の部分に、絶縁性を有する材料を挿入して前記区画を仕切る工程を更に加えてなる固体電解質型燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 7,
A method for producing a solid oxide fuel cell, further comprising the step of inserting an insulating material into the predetermined portion to be removed in the step (a1-3) to partition the compartment.
前記工程(a)は、
(a2−1)前記水素透過性金属層上の全面に前記電解質層を形成する工程と、
(a2−2)前記全面に形成した前記電解質層のうち、所定の部分を除去し、該電解質層を複数に分割する工程と、
(a2−3)前記除去する所定の部分に、絶縁性を有する材料を挿入して前記区画を仕切る工程と、
(a2−4)前記分割された電解質層上に前記電極を形成し、複数の区画を形成する工程と
からなる固体電解質型燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 5, comprising :
The step (a)
(A2-1) forming the electrolyte layer on the entire surface of the hydrogen permeable metal layer;
(A2-2) removing a predetermined portion of the electrolyte layer formed on the entire surface and dividing the electrolyte layer into a plurality of steps;
(A2-3) inserting the insulating material into the predetermined portion to be removed and partitioning the compartment;
(A2-4) A method of manufacturing a solid oxide fuel cell, comprising: forming the electrodes on the divided electrolyte layer and forming a plurality of compartments.
前記工程(c)は、
(c−1)前記特定された区画上に前記電気的接続を遮断する遮断層となりうる材料を生成する工程と、
(c−2)前記材料に所定の処理を施して該材料を絶縁性の材料とし、前記遮断層を形成する工程と
からなる固体電解質型燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 5, comprising :
The step (c)
(C-1) generating a material that can be a blocking layer that blocks the electrical connection on the identified section;
(C-2) A method for producing a solid oxide fuel cell, comprising: applying a predetermined treatment to the material to make the material an insulating material and forming the blocking layer.
前記工程(c)は、前記短絡している区画上に、前記遮断層として電解めっき法を用いためっきの層を生成する工程であり、
前記短絡している区画上に選択的に前記めっきの層を生成することで、前記工程(b)を実施することなく前記電気的接続を遮断する固体電解質型燃料電池の製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 5, comprising :
The step (c) is a step of generating a plating layer using an electrolytic plating method as the blocking layer on the short-circuited section,
The manufacturing method of the solid oxide fuel cell which interrupts | blocks the said electrical connection, without implementing the said process (b) by producing | generating the said layer of plating selectively on the section which has short-circuited.
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